"Goodbye Motherboard": Forscher wollen PCBs als Flaschenhals abschaffen und durch Silizium ersetzen

In den Augen einiger Forscher hat das klassische Printed Circuit Board (PCB) ausgedient, zumindest wenn es um SoCs geht. Bei dem System-on-a-Chip ist die Leiterplatte den Forschern ein Dorn im Auge. Zu sehr schränke sie die Möglichkeiten und Leistung der darauf angebrachten Chips ein, weshalb ein geeigneterer Ersatz her muss.

Modulare Wafer Scale Integration aka Silicon-Interconnect Fabric soll PCBs ablösen

Der könnte in Form von Silizium daherkommen. Die Forscher vereinen hierbei zwei Grundgedanken: Wafer Scale Integration (WSI) und Multi-Chip-Module mit Silizium-Interposer. Letzterer wächst auf die Größe eines Wafers mit potentiell mehreren Schichten an und somit zum "Silicon-Interconnect Fabric", wie die Wissenschaftler diese Basis getauft haben. Darauf werden letztlich sämtliche Chiplets angebracht, die es für ein vollständiges System braucht.

Leistung von 12 Servern auf Fläche eines Tellers

Die Vorteile des Ansatzes seien gegenüber aktuellen SoCs mit PCB-Basis mannigfaltig. Die Rechenleistung von 12 Servern könne in Theorie auf der Fläche eines tellergroßen Wafers untergebracht werden. Großrechner könnten schrumpfen und kleinere SoCs, wie beispielsweise jene für Wearables wesentlich mehr Rechenleistung bieten.
Quelle: IEEE Spectrum "Goodbye Motherboard": Forscher wollen PCBs als Flaschenhals abschaffen und durch Silizium ersetzen (2)
Zugleich können auch die Datenübertragungsraten immens gesteigert werden. Zum einen sinkt die Dauer der Signalübertragung durch die wesentlich kürzeren Wege, da die Chips näher zusammenrücken könnten, zum anderen wären erheblich mehr Anbindungen an das Si-IF möglich als bei konventionellen Leiterplatten. Lotkügelchen weichen winzigen Kupferpfeilern, die nicht größer sein müssen als die Verkabelung innerhalb der Chiplets selbst. Auch mehrschichtige Verbindungen seien denkbar.

Darüber hinaus preisen die Wissenschaftler das Silizium auch wegen der Wärmeleiteigenschaften an. Die fallen gegenüber dem PCB-Gemisch aus Glasfaser und Epoxid deutlich besser aus. Auch könne das SoC auf Basis des Si-IF beidseitig gekühlt werden. Letztlich ließe sich die Temperatur um 70 Prozent senken. Der gewonnene Spielraum könne wiederum in einen höheren Prozessortakt investiert werden. Allenfalls die Starrheit und damit einhergehende Bruchanfälligkeit sei ein Nachteil für Silizium, der durch korrekte Verarbeitung und Verankerung jedoch ausgemerzt werden könne.

Quelle: IEEE Spectrum "Goodbye Motherboard": Forscher wollen PCBs als Flaschenhals abschaffen und durch Silizium ersetzen (1)

Kostenvorteile von PCBs würden sich ausgleichen

Auch wenn man die Kosten eines Si-IF-Wafers mit vier Schichten jenen eines PCB mit acht Schichten gegenüberstellt, kommt das Silizium nicht gerade gut weg. Doch auch hier haben die Forscher ein passendes Gegenargument parat. Durch die wegfallenden Kosten des Packaging der einzelnen Komponenten, der ebenso wegfallenden komplexen Herstellung und auch der geringeren Fläche gleichen sich die kostentechnischen Vorteile des PCB wieder aus. Auch der Stromverbrauch sinkt zunächst erheblich, was zusätzliche Kostenvorteile mit sich bringen würde.

Wie stark die Stromeinsparungen ausfallen würden, simulierten die Autoren gemeinsam mit einer Gruppe von Forschern der University of Califonia und der University of Illinois at Urbana-Champaign. Ein Wafer-Scale-System mit 40 GPUs würde gegenüber den PCB-Pendants die fünffache Rechenleistung erzielen und dabei 80 Prozent weniger Energie verbrauchen.

Noch viele offene Baustellen

Zwar soll bis Ende 2020 der erste Prototyp eines derartigen Wafer-Scale-Systems mit modularen Chips fertiggestellt werden, so der Plan der Wissenschaftler, doch von der Massentauglichkeit ist die Technologie noch weit entfernt. Viele Baustellen sind noch offen. Beispielsweise lassen sich mit aktuellen Lithografie-Systemen nur kleine Bereiche auf einmal belichten. Benötigt würden jedoch Techniken, die das im Maßstab eines 300-mm-Wafers erledigen. Zugleich braucht es Mechanismen zum Testen der blanken Dies sowie Si-IF-Wafer. Abseits der Herstellung wären zudem neu konzipierte Kühlsysteme und andere Zusatzkomponenten wie Gehäuse, Befestigungen und Kabel notwendig.

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Als weitere Fallstricke machen sich auch die Verbindungslängen zwischen den Chiplets bemerkbar. Die müssten kurz ausfallen, da es sich bei dem Silicon-Interconnect Fabric um ein passives Substrat handelt. Helfer Chiplets müssten an dieser Stelle ins Spiel kommen, um die Daten weiter zu transportieren. Hinzu kämen eine verbesserte Modularität und Fehlertoleranz.

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"Goodbye Motherboard": Forscher wollen PCBs als Flaschenhals abschaffen und durch Silizium ersetzen Einige Forscher sehen in der klassischen Leiterplatte einen großen Flaschenhals. Man könne erheblich mehr Leistung aus den einzelnen Chips eines System-on-a-Chip herausholen und Größen deutlich verringern, würde man sich von PCBs verabschieden. Als Alternative käme das "Silicon-Interconnect Fabric" in Frage. Im Grunde ein Interposer in Größe eines Wafers und damit ein modulares Wafer-Scale-System.

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